Mobile wireless sensor network architecture: Applications to mobile sensor deployment

The advances in mobile robotics allow us today to add the mobility concept into many different classes of Wireless Sensor Networks. The deployment of mobile sensors is possible and useful in many application scenarios, ranging from the environmental monitoring and public safety applications, to the industry, healthcare and military applications. Two topics are elaborated in this thesis: networked robot middleware design and a set of approaches for mobile robot deployment in the context of wireless sensor networks. The middleware proposed and described in this thesis allows the user to easily implement different types of deployment algorithms for mobile robots. In the second part of the thesis, three main problems are presented and analyzed. The first is the problem of improving the quality of service with the use of mobile robotic networks, which is solved with the use of deployment algorithm that improves the performance of a multimedia communication by using an intrusive methods to gather the necessary transmission quality evaluation metrics. Second problem is the coverage of the point of interest with mobile robots, where the fixed base station is placed inside the field of interest, while the available mobile robots cover the point of interest and relay the information about it towards the base station in a multi-hop manner. The third problem is the point of interest discovery and coverage with the use of mobile robots which follow concentric circular paths to explore and cover the field of interest, and, by adjusting the movement velocity, they satisfy the constraints on point of interest coverage and connectivity with the base station.Les progrès de la robotique mobile nous permettent aujourd'hui d'ajouter la notion de mobilité dans plusieurs classes de réseaux de capteurs sans fil. Le déploiement de capteurs mobiles est possible et utile dans de nombreuses applications, comme la surveillance de l'environnement, les applications dans l'industrie, dans la santé et le domaine militaire. Le terme robot mobile peut représenter n'importe quel type de robot avec la capacité de modifier sa position. Cette notion inclut une vaste gamme de robots industriels utilisés dans les lignes de production. Dans le contexte spécifique de cette thèse, l'attention se focalise uniquement sur les robots mobiles et plus particulièrement les véhicules autonomes dont les mouvements ne sont pas limités par leur taille physique. Ainsi, un robot ou un groupe de robots mobiles peuvent être utilisés pour explorer des environnements inconnus et effectuer une variété de fonctions. La mobilité du robot dans le contexte des réseaux de capteurs, nous permet de résoudre les problèmes qui ne pourraient pas être résolues dans un cas statique. Les robots mobiles permettent d'augmenter la robustesse du réseau en remplaçant des nœuds de capteurs et de s'adapter aux environnements inconnus ou dynamiques. Deux thèmes sont abordées dans cette thèse : la conception d'un intergiciels pour les réseaux de robots mobiles et un ensemble d'approches pour le déploiement de robots mobiles dans le cadre de réseaux de capteurs sans fil. L'intergiciel proposé et décrit dans cette thèse permet à l'utilisateur de facilement mettre en œuvre différents types d'algorithmes de déploiement pour les robots mobiles. Il permet de déployer une application sur la station de base centrale qui permet à un utilisateur de rassembler toutes les informations captées par la flotte de robots. L'application de la station de base permet à un utilisateur d'envoyer des commandes à un groupe ou à un robot, introduisant ainsi la commande manuelle en option dans le réseau robotique. L'intergiciel présenté dans ce travail est dédié à être utilisé avec des robots mobiles Wifibot. Il permet réaliser plusieurs tâches. Tout d'abord, il interagit avec le microgiciel du robot pour piloter les moteurs des roues et recueille les informations concernant la sortie du capteur et de l'état de la batterie. Deuxièmement, il gère la communication avec d'autres robots et les stations de base du réseau. Troisièmement, il traite les informations sur l'environnement et les messages reçus des voisins dans le réseau. Enfin, il réagit et il s'adapte de manière rapide et fiable pour aux événements de l'environnement. Dans la deuxième partie de la thèse, trois problèmes sont présentés et analysés : le problème de l'amélioration de la qualité de service avec l'utilisation des réseaux robotiques mobiles, la couverture du point d'intérêt avec des robots mobiles et la découverte de points d'intérêt et leur couverture avec l'utilisation des robots mobiles. Le premier problème est résolu avec l'utilisation de l'algorithme de déploiement qui améliore les performances de la transmission multimédia. Cet algorithme utilise une méthode intrusive pour réunir les métriques de qualité de service. Ensuite, l'attention est focalisé sur l'application des réseaux de capteurs sans fil est la surveillance de l'environnement. Au lieu de surveiller toute la région, couvrir seulement un ensemble de points d'intérêt spécifiques accroît les performances du réseau et réduit le coût de déploiement. Nous faison l'hypothèse que la station de base fixe est placé à l'intérieur du domaine d'intérêt, tandis que les robots mobiles disponibles couvrent le point d'intérêt et relayent l'information vers la station de base. L'approche pour résoudre le dernier problème est basée sur le mouvement continu et à vitesse variable de capteurs mobiles, qui suivent des trajectoires circulaires concentriques afin d'explorer et de couvrir le domaine d'intérêt. En se déplaçant constamment, les capteurs exécutent la tâche de découverte de l'environnement et, en ajustant la vitesse de déplacement, ils répondent aux contraintes de la couverture et la connectivité avec la station de base. L'algorithme installé sur tous les capteurs mobiles est distribué et introduit une nouvelle technique de calcul de la vitesse en fonction des informations disponibles à partir des capteurs dans le voisinage à un-saut. Ces algorithmes de déploiement de robots mobiles ont prouvé leur faisabilité à travers de nom- breuses simulations ainsi que dans la mise en pratique en s'appuyant sur l'intergiciel proposé